李双德;刘芫健;林乐科感应门制作
【摘 要】毫米波信道建模是第五代(the 5th Generation,5G)移动通信系统的关键技术,而路径损耗是表征毫米波信道传播大尺度衰落影响的重要参数.为了更好地理解毫米波信道的传播特性,应进行广泛的信道测量与建模.因此,对28 GHz室内环境进行了信道测量,并给出了相应的毫米波信道路径损耗模型,同时基于入射及反弹射线法/镜像法仿真分析了路径损耗传播特性.研究结果表明:实测结果与仿真结果一致性吻合良好,从而验证了入射及反弹射线法/镜像法的正确性;自由空间邻近(Close-In,CI)参考距离路径损耗模型表达式更简洁,鲁棒性更强.最后,本文给出了一种普遍适用的用来表征室内视距(Line-of-Sight,LOS)与非视距(Non-Line-of-Sight,NLOS)环境28 GHz与60 GHz毫米波信道的路径损耗模型.%The millimeter-wave (mmWave) channel modeling will be one of the key technologies for the 5th generation (5G) mobile communication systems,and the path loss is a significant parameter which can be applicated to characterize the large scale fading of the mmWave channel propagation.To have a better understanding the propagation characteristics of m mWave channel,extensive channel measurements and modeling should be conducted.Thus,in this paper,the measurements of mmWave channel are carried out in indoor environment at 28 GHz,and the corresponding path loss models of mmWave channel are also given.At the same time,the propagation characteristics of path loss are analyzed based on the method of shooting-and-bouncing-ray/image (SBR/Image).The results show that:a good agreement is achieved between the measured results and the simulated results,so the correctness of SBR/Image method is validated;the path loss model of the close-in (CI) free space reference distance provides more accuracy and stability in indoor scenarios.Finally,a universally applicable path loss model for 28 GHz and 60 GHz mmWave channels in indoor LOS and NLOS environment is given.
【期刊名称】《电波科学学报》
【年(卷),期】2017(032)005
【总页数】10页(P602-611)
【关键词】毫米波信道;办公室;室内走廊;路径损耗模型;28 GHz
【作 者】李双德;刘芫健;林乐科主轴加工
【作者单位】南京邮电大学电子与光学工程学院,南京210023;南京邮电大学电子与光学工程学院,南京210023;中国电波传播研究所电波环境特性及模化技术重点实验室,青岛266107
【正文语种】中 文
【中图分类】TN928
日志审计
防鸟刺引 言
随着移动通信网络的快速发展,通信业务的不断增长,网络流量的持续上升,第五代(the 5th Generation, 5G)移动通信技术业务的提供能力将更加丰富,目前得到了全球企业、研究所和高等院校的广泛关注和大量研究[1]. 毫米波信道建模及传播特性研究是5G无线通信系统的关键技术,它允许使用更多的频谱来支持各种多媒体业务所需的更大的数据流量,如无人驾驶、智能终端和回程服务[2]. 随着5G技术的深入研究,相应的毫米波信道模型也表现出了不同的特性,因此相关的信道测量与建模需要迫切开展[3]. 此外,国际电信联盟 (International Telecommunication Union, ITU)在全球无线电通信会议(World Radio Communication Conf
erence, WRC-15)中将24.25～27.5 GHz作为5G主要候选频段之一[4]. 我国工业和信息化部批复24.25～27.5 GHz 频段用于我国5G技术研发试验,28 GHz频段被首先确定为实现商用化的5G候选频段.
近年来,由于28 GHz毫米波信道传输速率快、能提供更大的带宽,相比60 GHz频段其空间损耗小等优点而被广泛研究. 国内外众多学者对室内外不同复杂环境的28 GHz毫米波信道传播特性进行了研究. 通过对实际测量数据进行统计与分析,研究了毫米波信道传播特性参数,提出了相应的信道模型. 对于室外28 GHz毫米波信道,Rappaport团队使用宽带滑动相关信道探测器,在曼哈顿市中心的纽约大学及布鲁克林区市中心进行信道测量,研究了每一个频点的路径损耗、多径时延扩展、到达多径数、中断率等,提出了定向和全向路径损耗模型、时空信道模型,并指出对于特性的环境路径损耗指数随着频率的增加而略增大[2]. 此外,分析了离开角、到达角、均方根时延扩展以及建筑物的穿透和反射特性,研究表明由于市区环境相对于郊区环境中散射体数目较多,导致其路径损耗值及传播路径时延值大于郊区环境的值[5]. 由于实际信道测量成本昂贵且耗时,相对少量的信道样本可获得,通过信道仿真建模与测量结果对比分析进行一致性验证,研究表明通过射线跟踪方法可以获取大量的信道样本来填补实测样本中的空白. 因此,Hur等[6]利用确定性射线跟踪方法与实际信道测量研究了韩国大
田城市街道环境及纽约大学校园环境下的无线信道参数,同时提出了视距(Line-of-Sight, LOS)概率模型、路径损耗模型及双向信道模型. 对于室内28 GHz毫米波信道,Deng等[7]使用不同极化形式的定向喇叭天线和垂直极化全向天线对典型的室内办公环境进行了信道测试,采用最小均方误差拟合分析了不同极化形式的定向与全向路径损耗模型. 为避免最小均方误差拟合方法的计算复杂度, Al-Samman等[8]研究了典型室内走廊环境毫米波信道模型,在自由空间相对参考距离路径损耗模型的基础上引入了交叉极化鉴别因子与频率衰减因子,提出了一种新型的路径损耗模型. 另外,毫米波大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)信道建模也是5G的研究热点之一. 文献[9]基于定向信道探测器,对室内楼层环境及市区环境进行大量信道测量,分析了多径时延、路径损耗及角度统计等传播特性参数,重点研究了时域与空间域的丛簇特性. 研究表明,时域多径丛簇概率密度函数服从指数分布,空间域服从拉普拉斯分布. 文献[10]使用先进的MIMO信道探测器在典型的会议室中进行信道测量,基于实测数据分析了路径损耗模型与阴影衰落. 不同的信道测量方式导致提取信道参数的方法也不同. Wu等[11]利用可旋转的定向天线及矢量网络分析仪在实验室环境中进行信道测量,利用空间交替广义期望最大化(Space-Alternating Generalized Expectation-maximization, SAGE)算法对到达接收端的多径丛簇特性进行了分析. 另外,分析得到了功率
延迟分布、功率角度分布以及均方根时延扩展等传播特性参数. 文献[12]利用可旋转定向天线在典型会议室环境中进行信道测量,研究分析了使用不同的半功率点带宽天线的接收信号强度,大尺度衰落下的路径损耗模型以及阴影衰落分布,研究表明,当收发天线的半功率点波束宽度较大时,其路径损耗指数较小,其阴影衰落服从对数正态分布.
现有文献中针对5G毫米波热点频段28 GHz频段,还很难发现用来表征普遍适用的室内环境信道的具体路径损耗模型. 本文在典型的室内办公室环境以及室内走廊环境中进行测量、建模与研究,提取相应的路径损耗模型,并与众多研究学者提出的特定室内环境路径损耗模型进行对比分析,给出一种普遍适用的室内环境28 GHz与60 GHz毫米波信道的路径损耗模型.
1 入射及反弹射线法/镜像法
入射及反弹射线法/镜像法[13-14](Shooting-and-Bouncing-Ray/Image method, SBR/Image method)适用于典型室内复杂毫米波传播环境中,它可以到从发射机到接收机的所有电波传播路径,具有较高的计算精度和计算效率,这种方法是一种具有较高实用价值的电波传播预测方法. 该方法的具体实现流程如图1所示.
图1 基于SBR/Image方法的技术路线流程图
1) 创建室内环境模型
将室内复杂环境的建筑结构进行简化及抽象化,赋予每个面一个唯一的标识符来表示该平面,同时记录每个平面的几何数据及形态数据. 几何模型需要预先设定房间的长、宽、高,发射点源坐标,接收点坐标等. 室内物理模型需要储存各个墙面介质材料的电参数,例如:相对介电常数、相对磁导率和电导率.
2) 创建波前球
先确定波前球的半径,并建立一个内接于波前球的正二十面体,由正二十面体的特征可以计算出它的12个顶点坐标. 然后对其进行细分, 细分是因
为射线管截面将随着传播距离的增加而不断扩大,从而影响跟踪的精度,所以应该划分为精细的波前面使射线管的截面变小.每一次划分时取每条边的中点,然后连接各个中点将其分成4等份.
3) 建立发射射线管
已知发射点源和接收点的坐标,从正二十面体的12个定点确定构成的20个三角形射线管,每个射线管的三条射线方向矢量唯一确定.
4) 墙面相交测试
判断射线管与平面的相交[13],若射线平行于平面,可做不相交处理;若射线在平面上,则与该平面有无数个交点;反之,射线所在直线和平面有一交点.
5) 反射管方向矢量的确定
L可
求墙面所在平面的法向量[14],根据镜像理论求出电源关于平面的镜像点,由平面解析几何理论,求出反射管的方向矢量.
6) 接收点的判收
计算射线管的三条射线到达接收点的两两围成的角度之和,若角度和等于360°,则可视为该射线管可到达接收点.
7) 总场强计算水晶簇
到达接收天线的信号有许多的多径分量,其中的每一条多径分量都是发射射线与周围物体和环境相互作用的结果.接收端接收的场强是直射场、反射场、绕射场与透射场之和.
2 测量环境与测量系统
2.1 测量环境
本文的测量环境分三类:第一类为会议室,长、宽均为5.86 m,高为2.40 m,室内放置长宽高分别为3.63 m、1.83 m、0.77 m的办公桌,办公桌由木头材料制成,测量环境如图2(a)所示;第二类为室内走廊环境,长宽高分别为25 m、2 m、2.2 m,走廊环境平面图如图2(b)所示;第三类为办公室复杂环境,长30 m,宽12 m,高4 m,办公室四周墙壁为混泥土,其平面图如图2(c)所示,其中花型代表盆栽,深黑表示可旋转的椅子,灰表示办公的桌子,Tx1表示发射天线的位置,Rx表示接收天线的位置.
(a) 会议室环境
(b) 室内走廊环境
(c) 办公室复杂环境图2 测量环境
2.2 测量系统
针对测量环境一和二使用的测量设备如图3(a)所示,信号发射机包括产生基带信号模块和上变频模块. 基带信号模块产生PN序列,通过ASK或BPSK调制后送入上变频模块. 通过两次上变频,基带信号被调至28 GHz,然后将变频后的信号发射出去. 接收机由下变频模块和基带信号采集模块两部分组成. 下变频模块将天线收到的信号通过一次下变频和一次IQ下变频将信号搬移至零中频. 采集模块采用两路同步的采集信号,得到IQ信号. 最后,对信号进行提取、处理和分析,最终得到毫米波无线信道传播特性参数. 测量时,收发两端都采用垂直极化的喇叭天线,天线增益25 dBi,收发天线高度都为1.80 m,发射功率为21.3 dBm. 发射天线在室内平面图中Tx所标注的位置处,在会议室中接收天线沿着A-B-C-D移动,在室内走廊环境中,接收天线沿着虚线箭头方向一直移动下去.
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